[논문 리뷰] Enhanced GeSn Microdisk Lasers Directly Released on Si

Youngmin Kim, Simone Assali외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 16.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기판에 직접 탈착된 스트레인 프리 GeSn 마이크로디스크 레이저를 제시하며, 효과적인 스트레인 완화와 향상된 열관리를 통해 매달린 장치들보다 열악한 성능을 달성한다. 이 방법은 레이저 임계값을 30% 감소시키고 작동 온도를 약 40 K 향상시켜 실리콘 기반의 실온 GeSn 레이저 달성에 진전을 이룬다.

ABSTRACT

GeSn alloys are promising candidates for complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)-compatible, tunable lasers. Relaxation of residual compressive strain in epitaxial GeSn has recently shown promise in improving the lasing performance. However, the suspended device configuration that has thus far been introduced to relax the strain is destined to limit heat dissipation, thus hindering the device performance. Herein, we demonstrate that strain-free GeSn microdisk laser devices fully released on Si outperform the canonical suspended devices. This approach allows to simultaneously relax the limiting compressive strain while offering excellent thermal conduction. Optical simulations confirm that, despite a relatively small refractive index contrast between GeSn and Si, optical confinement in strain-free GeSn optical cavities on Si is superior to that in conventional strain-free GeSn cavities suspended in the air. Moreover, thermal simulations indicate a negligible temperature increase in our device. Conversely, the temperature in the suspended devices increases substantially reaching, for instance, 120 K at a base temperature of 75 K under the employed optical pumping conditions. Such improvements enable increasing the operation temperature by ~40 K and reducing the lasing threshold by 30%. This approach lays the groundwork to implement new designs in the quest for room temperature GeSn lasers on Si.

연구 동기 및 목표

• 매달린 GeSn 마이크로디스크 레이저의 열 제한을 극복하기 위해 새로운 장치 구조를 개발한다.
• 광학 구속성이나 열관리를 훼손하지 않으면서 GeSn에서 압축 스트레인을 완화할 수 있도록 한다.
• 실리콘 기반 기판에 GeSn 마이크로디스크를 직접 탈착함으로써 향상된 레이저 성능을 입증한다.
• CMOS 호환성 있는 제4족 반도체 레이저를 위한 더 높은 작동 온도와 더 낮은 레이저 임계값을 달성한다.
• 실리콘 기반에서 실온 동작이 가능한 실질적인 GeSn 레이저의 기초를 마련한다.

제안 방법

• 실리콘 기반 기판에 GeSn 에피층을 성장시키고, 선택적 에칭을 통해 마이크로디스크 공진기로 가공하였다.
• 탈착 공정을 사용하여 GeSn 마이크로디스크를 성장 기판에서 완전히 분리하고 실리콘 히든 웨이퍼로 이송하였다.
• 탈착된 마이크로디스크를 실리콘 기판에 접합시켜 효율적인 열전도를 가능하게 하였다.
• GeSn과 실리콘 간의 굴절률 대비를 이용해 모드 구속성을 평가하기 위해 광학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 매달린 장치와 비교하여 광학적 펌핑 조건에서의 온도 상승을 평가하기 위해 열역학 시뮬레이션을 실시하였다.
• 저온 조건에서 실험적으로 레이저 특성을 측정하여 임계값과 온도 의존성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 기반 기판에 GeSn 마이크로디스크를 직접 탈착하는 것이 매달린 장치보다 더 나은 열관리를 가능하게 하는가?
• RQ2 낮은 굴절률 대비에도 불구하고 탈착된 장치 구성이 충분한 광학 구속성을 유지하는가?
• RQ3 탈착된 GeSn 마이크로디스크에서의 스트레인 완화가 레이저 성능 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 동일한 펌핑 조건에서 탈착된 GeSn 레이저의 작동 온도는 매달린 장치와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 탈착된 장치 구조가 레이저 임계값을 상당히 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 실리콘 기반 기판에 직접 탈착된 스트레인 프리 GeSn 마이크로디스크 레이저는 매달린 장치 대비 레이저 임계값이 30% 감소하였다.
• 탈착된 장치의 작동 온도는 매달린 장치 대비 약 40 K 향상되었다.
• 열역학 시뮬레이션 결과, 탈착된 장치에서는 온도 상승이 거의 관찰되지 않았지만, 매달린 장치는 기저 온도 75 K에서 최대 120 K의 온도 상승을 경험하였다.
• 광학 시뮬레이션 결과, GeSn과 실리콘 간의 굴절률 대비가 공기 매달린 공진기보다 탈착된 장치에서 더 우수한 광학 구속성을 제공함을 확인하였다.
• 장치 구조는 굴곡 스트레인을 성공적으로 완화하면서도 효과적인 열전도를 유지하여 매달린 설계의 핵심 제약을 극복하였다.
• 결과적으로 실리콘 기반 기판에서 실온 동작이 가능한 GeSn 레이저를 향한 실현 가능한 길을 제시하였다.